污泥處理濕地自然穩(wěn)定期溫室氣體排放規(guī)律研究*

梁俊煜 崔玉波 楊文舉 菲爾卡特·甫力冬 洛桑竹瑪

(大連民族大學環(huán)境與資源學院，遼寧 大連 116600)

污泥處理濕地是利用植物、微生物等對剩余污泥進行脫水與穩(wěn)定的新型污泥處理技術(shù)[1]。污泥處理濕地屬于人工濕地的一種，具有運行費用低、不需要添加化學藥劑、終產(chǎn)物可以安全處置或農(nóng)用等優(yōu)點，得到了廣泛研究和應(yīng)用[2-3]，但污泥處理濕地在穩(wěn)定污泥過程中釋放的CO2、CH4等溫室氣體對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響不容忽視[4-6]。已有研究指出CH4增溫潛勢是CO2的25倍，對全球溫室效應(yīng)貢獻率約為23%[7-8]。濕地是地球上重要的碳匯和碳源，據(jù)報道，人工濕地的溫室氣體排放量為自然濕地的2～10倍[9]，這意味著若不能控制好人工濕地溫室氣體的排放，將會降低其綜合環(huán)境效益。

CH4是由污水中有機物、基質(zhì)所含的有機質(zhì)和植物產(chǎn)生的生物質(zhì)進行厭氧分解所產(chǎn)生，而CO2則是由這些有機物、有機質(zhì)、生物質(zhì)好氧氧化產(chǎn)生[10-11]，產(chǎn)生的CO2和CH4的最終量決定了污泥處理濕地中碳基溫室氣體的排放效應(yīng)，即污泥處理濕地是碳匯還是碳源。

目前，對于污泥處理濕地的研究主要致力于污泥穩(wěn)定和脫水方面，而污泥穩(wěn)定過程中溫室氣體的產(chǎn)生與排放報道較少。污泥處理濕地在負荷期會定期布泥，濕地具有充足的底物和濕度，而在自然穩(wěn)定期污泥處理濕地經(jīng)歷的是單一的污泥土質(zhì)化過程。由于兩個時期條件不同，污泥處理濕地的溫室氣體排放也會產(chǎn)生差異。本研究對3個污泥處理濕地自然穩(wěn)定期的溫室氣體排放規(guī)律進行對比，進一步探明污泥處理濕地碳循環(huán)機制，為今后溫室氣體增匯減排研究提供參考。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗場地位于遼寧省大連經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠。實驗系統(tǒng)由污泥泵、進料罐、污泥處理濕地和滲濾液排水管等組成。3個污泥處理濕地分別記為STW1、STW2、STW3(STW1為具有通風結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)污泥干化床，STW2為具有通風結(jié)構(gòu)的蘆葦床，STW3為普通蘆葦床)，其尺寸均為3.0 m×1.0 m×1.3 m(長×寬×高)，獨立運行。STW1未栽種蘆葦，布有通氣管；STW2栽種蘆葦并布有通氣管；STW3栽種蘆葦?shù)珶o通氣管。STW1、STW2的通氣管與大氣相連通，通過床體填料空隙為單元提供氧氣。實驗系統(tǒng)示意圖見圖1。由圖2可知，污泥處理濕地填料高度為65 cm，由底層至表層依次為爐渣 20 cm、礫石20 cm、粗砂5 cm、細砂20 cm，填料上部用于積存污泥。污泥處理濕地表面單側(cè)布泥，排水管位于底部，排出的滲濾液回流至污水處理廠的生物池進行處理。

圖2 污泥處理濕地剖面圖Fig.2 Profile of sludge treatment wetland

1.2 樣品采集

溫室氣體的采集采用原位靜態(tài)箱法。采樣箱為直徑30 cm、高150 cm的透明有機玻璃圓柱箱，采樣箱頂部中心與筒壁中下部各有一插口，供儀器采樣和回流。頂部采樣口旁另有一插口用于放置溫度計。采樣箱內(nèi)部中間位置安置一個風扇，用于混勻箱內(nèi)氣體。儀器采用美國LGR公司UGGA超便攜溫室氣體分析儀，測量時將儀器的進氣管與出氣管分別插入采樣箱頂部與中下部的插口，儀器將自動保存測得的數(shù)據(jù)。

實驗經(jīng)歷了3年的污泥負荷期和1年的自然穩(wěn)定期。自然穩(wěn)定期實驗期間(4—11月)，溫室氣體的測量頻率為4次/d，實驗時間為9:00至16:00。實驗前需先將采樣箱插入各污泥處理濕地的污泥層中30 min，30 min后開始第1次測定，各單元每次檢測時間為5 min，同時記錄下采樣箱內(nèi)蘆葦?shù)臄?shù)量。一般情況下，每次測量溫室氣體時采樣箱內(nèi)一般都是2株長勢相似的蘆葦。

1.3 CH4與CO2排放通量計算

參考文獻[12]的公式計算CH4與CO2排放通量。

2 結(jié)果與討論

2.1 植物對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量的影響

在蘆葦生長初期的春季(4—5月)，未種植蘆葦?shù)腟TW1和種植蘆葦?shù)腟TW2的CH4排放通量較低，兩者差異相對較小(見圖3(a))。隨著溫度的上升，在蘆葦生長最為茂盛的夏季(6—8月)，兩個單元的CH4排放通量相差最大，STW2的CH4月均排放通量最高上升到2.07 mg/(m2·d)，而STW1相對穩(wěn)定，最高為0.88 mg/(m2·d)。在進入秋季(9—11月)后，隨著氣溫的降低和植被生長期的結(jié)束，STW2的CH4排放通量出現(xiàn)大幅降低，10—11月兩個污泥處理濕地的CH4排放通量變化較小，且大致相當，STW1、STW2最低月均排放通量分別為0.10、0.13 mg/(m2·d)。實驗期間，STW1和STW2均在排放CH4，其中STW2受季節(jié)變化影響較大，而STW1則相對穩(wěn)定。從圖3(b)可以看出，4—6月，STW1和STW2的CO2排放通量整體呈上升趨勢，6月達到峰值；6—11月，兩個污泥處理濕地的CO2排放通量均呈現(xiàn)下降趨勢，其中STW2在6—7月時下降幅度較大，而STW1降幅相對較小。STW1、STW2的CO2最高月均排放通量分別為62 311.40、52 114.03 mg/(m2·d)，最低月均排放通量分別為2 803.05、2 395.58 mg/(m2·d)。

圖3 植物對污泥處理濕地CH4與CO2排放通量的影響Fig.3 Effects of plants on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

蘆葦對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量有一定的影響。圖3中種植蘆葦?shù)腟TW2在自然穩(wěn)定期內(nèi)的CH4排放通量高于未種植蘆葦?shù)腟TW1，這是由于蘆葦?shù)拇嬖跒槲勰嗵幚頋竦刂蠧H4的釋放提供了新的途徑，與水擴散相比，植物擴散能讓污泥層中的CH4更快地釋放到大氣。據(jù)相關(guān)研究報道，土壤中超過50%的CH4由植物擴散排放到大氣[13]。自然穩(wěn)定期的兩個單元在相同自然條件下，STW2的CO2排放通量幾乎都低于STW1，這可能是由于氣體采樣所用靜態(tài)箱均由透明的有機玻璃制成，能使陽光通過，蘆葦可以在靜態(tài)箱中進行光合作用，從而減少了STW2的CO2凈排放，綜合來看，STW2的CO2排放通量比STW1大約低15%。

2.2 通風結(jié)構(gòu)對污泥處理濕地CH4和CO2排放通量的影響

由圖4可知，有通風結(jié)構(gòu)的STW2和無通風結(jié)構(gòu)的STW3在蘆葦生長初期(4—5月)的CH4、CO2排放通量差異較小，但隨著蘆葦?shù)纳L和溫度的升高，兩個污泥處理濕地的CH4、CO2排放通量整體都呈上升趨勢，并且其排放通量的差異也逐漸明顯。6月STW2、STW3的CO2排放通量達到峰值，而CH4排放通量峰值分別出現(xiàn)在8、7月。9月后，氣溫逐漸降低，隨著蘆葦生長期的結(jié)束，STW2和STW3的CH4、CO2排放通量也逐漸降低。STW2和STW3在實驗期間均在排放CH4。STW3的CH4最高月均排放通量為1.40 mg/(m2·d)，最低月均排放通量為0.16 mg/(m2·d)，CO2最高月均排放通量為52 725.64 mg/(m2·d)，最低月均排放通量為2 635.47 mg/(m2·d)。

圖4 通風結(jié)構(gòu)對污泥處理濕地CH4與CO2排放通量的影響Fig.4 Effects of ventilation structure on CH4 and CO2 emission fluxes from sludge treatment wetland

表1 自然穩(wěn)定期月平均溫度

STW2的CH4排放通量大體高于STW3，而STW2的CO2排放通量低于STW3，說明STW2中的蘆葦光合作用吸收CO2的量高于STW3中的蘆葦，在觀察蘆葦長勢后發(fā)現(xiàn)，STW2中的蘆葦生長情況優(yōu)于STW3，這表明在相同條件下具有通風結(jié)構(gòu)的污泥處理濕地更適合蘆葦?shù)纳L。

對3個污泥處理濕地的CH4排放通量與月平均氣溫(見表1)進行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，污泥處理濕地的CH4排放通量與月平均溫度顯著正相關(guān)(P<0.05)，這說明溫度對污泥處理濕地CH4的排放影響較大。

2.3 碳基溫室氣體排放量

本研究將CH4的排放量按照溫室氣體增溫潛勢轉(zhuǎn)化為CO2當量，分別估算了3個污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量，結(jié)果見表2。

表2 自然穩(wěn)定期污泥處理濕地碳基溫室氣體排放量

污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期表現(xiàn)出較低的CH4排放量。自然穩(wěn)定期全年不進泥，污泥中的水分和微生物所需的底物得不到補充，所以在自然穩(wěn)定過程中污泥會龜裂產(chǎn)生大量的裂縫，這增加了污泥層與空氣接觸的面積，使得污泥層的好氧環(huán)境增加，從而抑制了產(chǎn)甲烷菌的活性，減少了CH4的產(chǎn)生，這是3個污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量較低的重要原因。STW2的碳基溫室氣體排放量低于STW1、STW3，說明蘆葦?shù)姆N植和通風結(jié)構(gòu)的設(shè)置為污泥處理濕地溫室氣體減排提供了新的途徑。

3 結(jié) 語

3個污泥處理濕地在自然穩(wěn)定期的碳基溫室氣體排放量相對較低，種植蘆葦?shù)腟TW2和STW3的CO2排放量低于未種植蘆葦?shù)腟TW1，而CH4的排放量高于STW1。CH4排放通量表現(xiàn)為STW2>STW3>STW1。蘆葦?shù)拇嬖跍p少了CO2的排放，CO2排放通量表現(xiàn)為STW1>STW3>STW2?？傮w來講，STW1的碳基溫室氣體排放量最高，其次是STW3，STW2最低，說明植物和通風結(jié)構(gòu)的存在有利于污泥處理濕地溫室氣體減排。